Расчеты, сделанные астрофизиками, показывают, что во Вселенной в будущем должен появиться новый вид объектов, так называемые черные карлики, которые, в конечном итоге, будут взрываться как сверхновые. Позже я доберусь до этого, но сначала расскажу немного о звездах, ядерном синтезе и о материи.
Звезды выделяют энергию, когда сплавляют атомы водорода в атомы гелия в своих ядрах. Это очень похоже на то, как работает водородная бомба, но в гораздо большем масштабе. Солнце, к примеру, выделяет энергию, эквивалентную энергии ста миллиардам ядерных бомб мощностью в одну мегатонну каждую секунду.
Но водород не вечен и в конце концов кончается. Тогда происходит много всяких сложных вещей, в зависимости от того, насколько массивна звезда, что в ней находится и многое другое. Для звезд Солнечной массы их внешние слои сдуваются, обнажая ядро, которое настолько сжато, что в игру вступают странные правила квантовой механики. Звезда по-прежнему состоит из атомов (кислород, магний, неон и тому подобное), но эти атомы находятся под таким давлением, что их ядра практически соприкасаются. Ученые называют такой материал вырожденной материей, а сам объект – белым карликом.
Для многих звезд это конец пути. Процесс синтеза, которым они пользовались миллиарды лет больше не работает. Белый карлик рождается очень горячим, с температурой в сотни тысяч градусов, но без постоянного источника тепла он постепенно остывает.
И остывает до абсолютного нуля за триллионы лет. Он больше не излучает света, становится темным и безжизненным. Никакого. Так рождается черный карлик.
И что? Черные карлики — это навсегда?
Вероятно, нет.
Сегодня физики считают, что протоны, одна из самых основных субатомных частиц, могут распадаться самопроизвольно. В среднем это занимает очень много времени. Расчетные данные показывают, что период полураспада протона может составлять примерно 10^34 года. Это в триллион триллионов раз дольше, чем нынешний возраст Вселенной.
Если это правда, то протоны внутри атомов у черных карликов распадутся. Пуффф. И черные карлики исчезли. Останутся только более плотные нейтронные звезды и черные дыры.
Но распад протонов, хотя и предсказанный, еще не наблюдался. Что, если протоны не распадаются? Что тогда произойдет с черными карликами?
Оказывается, в квантовой механике есть процессы, называемые квантовым туннелированием. Атомные ядра содержат положительные протоны, поэтому ядра отталкиваются друг от друга. Но они расположены очень близко друг к другу в центре черного карлика. Квантовая механика утверждает, что частицы могут внезапно перемещаться в пространстве на очень малые расстояния (это часть туннелирования, и, конечно, это намного сложнее чем я сказал), и если одно ядро подскочит достаточно близко к другому – Бац! они сливаются, образуют ядро более тяжелого элемента, выделяя энергию.
Это отличается от термоядерного синтеза, для которого требуется много тепла. Квантовому туннелированию тепло не нужно, но ему нужна высокая плотность материи, поэтому он называется пикноядерным синтезом.
Со временем ядра внутри черного карлика расплавляются, но очень, очень медленно. Выделяемое тепло минимально, но общий эффект максимален, и карлики становятся плотнее.
И это проблема. Эффект, удерживающий звезду против ее собственной сильной гравитации, – это давление вырождения между электронами. Это происходит с звездами. Звезды должны быть довольно массивными, раз в 10 тяжелее Солнца. Когда они разрушаются, их ядра атомов сталкиваются друг с другом и образуют нейтронный шар, называемый нейтронной звездой. Этот процесс высвобождает много энергии, создавая сверхновую.
Это произойдет и с черными карликами. Когда накопится достаточно железа, они тоже схлопнутся и взорвутся, оставив после себя нейтронную звезду. Однако пикноядерный синтез – это безумно медленный процесс.
Сколько времени это займет до внезапного коллапса?
Для черных карликов с наименьшей массой, которые разрушатся первыми, среднее время, необходимое для разрушения, составляет 10^1000 лет. Это 10 в 1000-й степени. Это десять с тысячью нулями.
У меня нет аналогий как это проиллюстрировать. Это слишком большое число. Очень много нулей. Можете проверить правильно ли я его написал.
Единственно, что можно тут сделать – это разбить число на более мелкие фрагменты, которые имеют хоть какой-то смысл. Один из таких фрагментов – число ГУГОЛ, 10^100. Наше число тогда будет выглядеть как гугол в 10-й степени. Жуть, как много.
И это карлики, которые взрываются первыми. У карликов с большей массой это занимает больше времени.
Сколько? Рад, что спросили – примерно 10^32000 лет… Десять в тридцать двухтысячной степени!!! Ох ё… Никакой опечатки, все так и есть.
Еще раз отмечу, что все эти нули будут лишь в том случае, если протоны не распадаются. Если распадаются – то все вышеперечисленное просто игра с физикой и с результатом, который мы никак не сможем увидеть (в любом случае, нас не будет рядом чтобы все это проверить). И в том невообразимо далеком будущем Вселенная будет состоять из нейтронных звезд, черных дыр и черных карликов, которые однажды схлопнутся и взорвутся.
К слову сказать, черные дыры тоже испаряются, и последняя из них должна исчезнуть менее чем через гугол лет. Если это так, то сверхновые черные карлики могут быть последними энергетическими событиями, которые может пережить Вселенная. После этого ничего. Тепловая смерть. Бесконечный холод в течение бесконечного времени.
Так зачем все это просчитывать? Можно подумать, что столь долгое ожидание принесет какую-то пользу. Я действительно думаю, что это хорошая идея, наука никогда не пропадает даром. Кроме того, сам процесс вычисления может дать интересные побочные результаты, которые имеют значение для здесь-и-сейчас, которые могут быть наблюдаемы (например, распад протонов). И в этом может быть ощутимая польза.
Но на самом деле, в этом акте захватывающего воображения и заключается суть науки. Раздвигайте границы! Выходите за рамки! Спросите: «Что дальше? Что будет после?» Это расширяет наши границы, отодвигает наши ограничения и освобождает мозг — в рамках известной физики и математики — для поиска новых путей, не открытых ранее.
Поиск истины может быть трудным путем, но он ведет к пониманию, и в этом есть красота.
